Aparato para la concentración luminiscente de energía solar.

Se describe un aparato que incluye una guía de ondas que contiene un material luminiscente que responde a la luz incidente mediante la emisión de luz de frecuencia desplazada.

Una primera porción de la luz de frecuencia desplazada se refleja internamente en la guía de ondas a una salida de la guía de ondas, y una segunda porción de la luz de frecuencia desplazada se transmite fuera de la guía de ondas. El aparato también incluye un reflector difuso colocado proximal a la guía de ondas para reflejar al menos parte de la segunda porción de la luz de frecuencia desplazada en la guía de ondas para reflejarse internamente en la guía de ondas a una salida de la guía de ondas.

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Aparato para la concentración luminiscente de energía solar

Referencia a una solicitud relacionada

Esta solicitud reivindica la prioridad bajo 35 USC § 119 (e) de la Solicitud Provisional US Nº 61/369, 293, presentada el 30 de julio de 2010, el contenido de la cual se incorpora por referencia en la presente solicitud.

Antecedentes

Esta descripción se refiere a la concentración de luz y, más particularmente, a la concentración de luz utilizando un elemento óptico.

Típicamente, los concentradores de luz están diseñados para recibir luz incidente en un rango de ángulos menores que un ángulo de aceptación en una abertura. La luz se concentra en una región (por ejemplo, en un absorbedor) con un área menor que el área de la abertura. La relación del área de la abertura y el área menor se conoce como la concentración geométrica. Las leyes de la termodinámica establecen un límite superior teórico, conocido en la técnica como el "límite termodinámico", en la concentración para una configuración para un concentrador dado. Se han estudiado muchos tipos de concentradores solares, incluyendo dispositivos reflectantes y de refracción. Los concentradores pueden ser formadores de imágenes o no formadores de imágenes, y pueden estar diseñados para corregir varios tipos de aberración óptica (aberración esférica, coma, astigmatismo, aberración cromática, etc.) .

Los concentradores ópticos se pueden aplicar, por ejemplo, en la conversión de energía solar en electricidad (u otra forma de energía) . La potencia que una célula solar fotovoltaica puede producir es una función de la luz solar incidente. Una célula solar típica puede utilizar eficientemente muchas veces la luz solar incidente no concentrada en configuraciones típicas, previendo que la temperatura de la célula solar no aumenta excesivamente. Por lo tanto, un concentrador óptico puede emplearse para concentrar la luz solar sobre una célula fotovoltaica para mejorar la salida de la célula fotovoltaica. La salida se incrementará con el factor de concentración. En factores de concentración apreciables, la refrigeración puede ser necesaria, ya que la eficiencia de algunas células fotovoltaicas puede disminuir rápidamente P201390012

con el aumento de las temperaturas.

Para capturar de forma más eficaz la luz solar disponible, los concentradores y/o las células solares pueden configurarse para moverse a lo largo del día para seguir o rastrear la posición del sol, ya que cambia en el transcurso del día y durante el transcurso del año.

Estos sistemas de seguimiento se pueden mover a lo largo de un solo eje o ejes múltiples y pueden ser sistemas pasivos o sistemas activos que utilizan motores eléctricos u otros dispositivos accionados para mover el sistema de energía solar. Los sistemas de seguimiento añaden una fuente adicional de complejidad y coste a un sistema de energía 10 solar.

El silicio cuenta para la gran mayoría de dispositivos de células fotovoltaicas y solares actualmente en uso. Los dispositivos basados en silicio son relativamente de bajo coste, fáciles de fabricar, y se pueden fabricar de materiales disponibles en abundancia. En 15 consecuencia, los dispositivos basados en silicio son un buen candidato para su uso en la generación de energía solar, donde el coste de generación de energía es a menudo crucial para la viabilidad comercial de un dispositivo. Sin embargo, los dispositivos solares basados en silicio sufren de desventajas. En particular, los dispositivos se enfrentan a ciertas limitaciones en la eficacia del rendimiento. Los dispositivos típicos basados en silicio tienen 20 un factor promedio de un 23% de eficiencia de conversión de la luz solar en energía eléctrica. Una variedad de diseños de células solares (células en tándem, células de múltiples uniones, células intermedias de salto de banda, etc.) y materiales fotoactivos utilizados en lugar de o en combinación con el silicio (incluyendo tintes orgánicos, polímeros y puntos cuánticos) se han propuesto, pero los incrementos en la eficiencia han sido 25 limitados. La mejor eficiencia lograda hasta la fecha en los típicos dispositivos operativos no ha superado el ~40%.

La eficiencia reducida de las células solares basadas en silicio es debida, en parte, a una falta de coincidencia entre el salto de banda de silicio y el espectro solar. Las células solares 30 funcionan como dispositivos de conversión de energía cuántica y, por lo tanto, sujeta al "límite de eficiencia termodinámica". Los fotones con una energía por debajo del salto de banda del material absorbente no pueden generar un par hueco-electrón, y así su energía no se convierte en una salida útil y sólo genera calor si se absorbe. Para fotones con energía por encima de la energía del salto de banda, sólo una fracción de la energía por 35 encima del salto de banda se puede convertir en una salida útil. Cuando un fotón de mayor energía es absorbido, el exceso de energía por encima del salto de banda se convierte en P201390012

energía cinética de la combinación de portadores. El exceso de energía cinética se convierte en calor a través de interacciones de los fotones cuando la energía cinética de los portadores se desacelera a la velocidad de equilibrio.

El silicio tiene un salto de banda de aproximadamente 1, 12 eV, correspondiente a radiaciones cerca de infrarrojas (es decir, a aproximadamente 1100 nm) . Aproximadamente el 48% de la energía del espectro solar está en el rango infrarrojo (700-2500 nm) , aproximadamente el 44% está en el rango visible (400-700 nm) y el 7% en el rango ultravioleta (<400 nm) . La eficiencia del Si, por lo tanto, es reducida en las longitudes de onda más cortas en el espectro, es decir, el lado visible y ultravioleta del espectro. Debido a esto, la eficiencia cuántica externa (EQE) del silicio es baja donde el flujo del espectro solar es alto.

Sumario

El inventor se ha dado cuenta de que es ventajoso proporcionar los dispositivos y las técnicas aquí descritas para mejorar la eficiencia de los sistemas de generación de energía que ofrecen los dispositivos fotovoltaicos, por ejemplo, dispositivos de células solares basadas en silicio. En particular, la inclusión de un reflector difuso que dirige la luz perdida desde una guía de ondas de nuevo a la guía de ondas en ángulos adecuados para guiarse a una salida de guía de ondas puede proporcionar mejoras considerables en la eficiencia. Además de la inclusión de una capa selectivamente reflectante que transmite una porción significativa del espectro solar, pero refleja la luz de frecuencia desplazada (por ejemplo, desplazamiento de Stokes) , puede ser ventajoso en la devolución de la luz a la guía de ondas, que de otro modo se perdería a través del cono de escape. Existe preferentemente un hueco de aire entre la guía de luz y el reflector selectivo, de forma que no se frustre la reflexión interna total. Como es bien conocido en la técnica, la alta eficiencia es a menudo importante o incluso esencial para la viabilidad comercial de las fuentes de energía, en particular en el campo de la energía solar. Los dispositivos y las técnicas aquí descritas proporcionan dispositivos de coste relativamente bajo útiles para la generación de energía con una mayor eficiencia.

El inventor también se ha dado cuenta de que el "límite termodinámico de concentración" se puede evitar si la luz es absorbida y luego emitida a una longitud de onda más larga 35 (conocido como desplazamiento de Stokes) en un proceso exotérmico que añade calor al medio. Esto es debido a la entropía (S) que depende logarítmicamente en el espacio de P201390012

fase, pero linealmente en el calor depositado en el entorno (Q) : S â k log G + const, donde k es la constante de Boltzmann. Aquí, la contraparte óptica, la eficacia óptica (G) es sustituida por "espacio de fase", que es técnicamente correcto hasta factores de frecuencia (v cuadrado) que materialmente no afectan a las conclusiones. Debido a que el brillo (B) es la potencia (P) dividida por la eficacia óptica (G) , log B â S/k + const, o, más exactamente, Log B/Î2 â S/k + const.

De ello se desprende que, en un proceso de disminución (desplazamiento de Stokes) : hÏ ->

hÏâ?, âQ= h (Ï-Ï') , k log Bâ? -k log B = âQ/T, y ; donde h es la constante de Planck, Ï y Ïâ? son las longitudes de onda de la luz antes y después del desplazamiento de Stokes, respectivamente, y T es la temperatura. El exponencial es potencialmente enorme porque kT es aproximadamente 0, 025 eV (electronvoltios) a temperatura ambiente, mientras que el desplazamiento de Stokes es típicamente ~ 0, 5 eV.

** (Ver fórmula)...

1. Aparato para la concentración luminiscente de energía solar que comprende;

una guía de ondas que contiene un material luminiscente que responde a la luz incidente mediante la emisión de luz de frecuencia desplazada, y un reflector difuso colocado proximal a la guía de ondas para reflejar al menos parte de la luz que sale de la guía de ondas de vuelta a la guía de ondas para que se refleje 10 internamente dentro de la guía de ondas.

caracterizado por que el reflector difuso refleja más de aproximadamente el 90% de la luz de frecuencia desplazada incidente sobre el mismo.

2. Aparato según reivindicación 1, caracterizado por que comprende:

una guía de ondas que contiene un material luminiscente que responde a la luz incidente mediante la emisión de luz de frecuencia desplazada, en el que una primera porción de la luz de frecuencia desplazada se refleja internamente dentro de la guía de ondas a una salida de la guía de ondas, y una segunda porción de la luz de frecuencia desplazada se transmite fuera de la guía de ondas; y un reflector difuso colocado proximal a la guía de ondas para reflejar al menos parte de la segunda porción de la luz de frecuencia desplazada de vuelta a la guía de ondas para que se refleje internamente dentro de la guía de ondas a una salida de la guía de ondas;

en donde el reflector difuso refleja más de aproximadamente el 90% de la luz de frecuencia desplazada incidente sobre el mismo 3. Aparato según la reivindicación 2, caracterizado por que también comprende un abosorbedor colocado proximal a la guía de ondas para producir energía en respuesta a la 35 luz de frecuencia desplazada.

4. Aparato según la reivindicación 3, caracterizado por que el absorbedor comprende un dispositivo fotovoltaico.

5. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que el material luminiscente comprende puntos cuánticos o un tinte orgánico.

6. Aparato según la reivindicación 5, caracterizado porque los puntos cuánticos comprenden uno o más de:

partículas que varían entre aproximadamente 1 a 10 nanómetros de tamaño;

material seleccionado del grupo constituido por sulfuro de plomo (PbS) , seleniuro de cadmio (CdSe) , sulfuro de cadmio (CdS) , arseniuro de indio (InAs) y fosfuro de indio 15 (InP) ;

material seleccionado del grupo constituido por seleniuro de cinc (ZnSe) y dióxido de titanio (TiO2) ;

una monocapa de puntos cuánticos; y los puntos cuánticos están suspendidos en un material polimérico.

7. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que la guía de ondas comprende:

una capa superior que es sustancialmente transparente a la luz incidente;

una capa activa que comprende el material luminiscente, siendo la capa activa subyacente a la capa superior; y una capa inferior subyacente a la capa activa que es sustancialmente transparente a la luz de frecuencia desplazada; y en el que el reflector difuso comprende una capa reflectante de manera difusa 35 subyacente a la capa inferior.

8. Aparato según la reivindicación 7, caracterizado por que también comprende una capa selectivamente reflectante que recubre la capa superior que es sustancialmente transparente a la luz incidente y refleja selectivamente la luz de frecuencia desplazada.

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material luminiscente de la guía de ondas responde a la luz incidente mediante la emisión de luz de frecuencia desplazada al rojo con relación a la luz solar.

10. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado por que al menos porciones de la capa selectivamente reflectante y de la capa reflectante de manera difusa están encaradas entre sí formando una cavidad reflectante para la luz de frecuencia desplazada.

11. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que también comprende un reflector selectivo situado proximal a la guía de ondas que admite selectivamente la luz incidente en la guía de ondas y que refleja selectivamente la luz de frecuencia desplazada desde la guía de ondas de vuelta a la guía de ondas.

12. Aparato según la reivindicación 11 caracterizado por que al menos porciones del reflector selectivo y del reflector difuso están encaradas entre sí formando una cavidad reflectante para la luz de frecuencia desplazada.

13. Aparato según la reivindicación 11, caracterizado por que el reflector selectivo tiene una transmisividad de al menos 0, 9 a la luz incidente y una reflexividad de al menos 0, 9 para la 25 luz al rojo desplazada.

14. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que la guía de ondas es flexible o una envoltura llena de fluido.

15. Aparato según la reivindicación 14, caracterizado por que también comprende un dispositivo de circulación que hace circular el fluido a través de la envoltura llena de fluido.

16. Aparato según la reivindicación 15, caracterizado por que también comprende un intercambiador de calor configurado para eliminar calor del fluido. 35

17. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que también comprende al 23

menos un disipador de calor configurado para eliminar calor de la guía de ondas.

18. Aparato según la reivindicación 17, caracterizado por que también comprende un generador configurado para generar energía eléctrica a partir del calor eliminado. 5

19. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que también comprende un concentrador que concentra la luz incidente sobre la guía de ondas.

20. Procedimiento de generación de energía eléctrica, caracterizado por que comprende:

obtener un aparato de concentración que comprende ï· una guía de ondas que contiene un material luminiscente que responde a la luz incidente mediante la emisión de luz de frecuencia desplazada, en el que una primera porción de la luz de frecuencia desplazada se refleja internamente dentro de la guía de ondas a una salida de la guía de ondas, y una segunda porción de la luz de frecuencia desplazada se transmite fuera 20 de la guía de ondas; y ï· un reflector difuso colocado proximal a la guía de ondas para reflejar al menos parte de la segunda porción de la luz de frecuencia desplazada de retorno a la guía de ondas para que se refleje internamente dentro de la guía de ondas a una salida de la guía de ondas;

colocar un dispositivo fotovoltaico proximal a la salida de la guía de ondas;

recibir la luz incidente con el aparato de concentración para producir la luz de frecuencia 30 desplazada, dirigir al menos una porción de la luz de frecuencia desplazada al dispositivo fotovoltaico para generar energía eléctrica.

admitir una porción de la luz incidente en la guía de ondas a través de la capa selectivamente reflectante y sobre el material luminiscente;

hacer que el material luminiscente emita luz de frecuencia desplazada en respuesta a la luz incidente; y usar el reflector difuso para reflejar una porción de la luz de frecuencia desplazada que sale de la guía de ondas de vuelta a la guía de ondas para que se refleje internamente dentro de la guía de ondas a la salida de la guía de ondas, donde la luz incidente es luz solar y la luz de frecuencia desplazada se desplaza al rojo con 10 relación a la luz solar.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, caracterizado por que comprende introducir puntos cuánticos en el material luminiscente.

22. Procedimiento según la reivindicación 21, caracterizado por que comprende incluir en los puntos cuánticos uno o más materiales seleccionados del grupo constituido por seleniuro de cadmio (CdSe) , sulfuro de cadmio (CdS) , arseniuro de indio (InAs) , y fosfuro de indio (InP) ; y material seleccionado del grupo constituido por sulfuro de plomo (PbS) , seleniuro de cinc 20 (ZnSe) y dióxido de titanio (TiO2) ;

23. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, caracterizado por que comprende incluir en el aparato de concentración un reflector selectivo situado proximal a la guía de ondas que admite selectivamente la luz incidente en la guía de ondas y que refleja selectivamente la luz de frecuencia desplazada desde la guía de ondas de vuelta a la guía de ondas.

24. Procedimiento según la reivindicación 23, caracterizado por que el reflector selectivo es 30 un reflector difuso.

25. Sistema, caracterizado porque comprende:

un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20; 35 un transductor de energía situado proximal a la salida de la guía de ondas para recibir la 25

luz de frecuencia desplazada y convertir la luz en otra forma de energía.

26. Sistema según la reivindicación 25, caracterizado por que el transductor comprende una célula fotovoltaica que ópticamente tiene una mayor eficiencia cuántica en respuesta a la luz

de frecuencia desplazada que en respuesta a la luz incidente y/o una célula solar basada en silicio.

27. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado por que la al menos parte de la luz que sale de la guía de ondas comprende luz de frecuencia desplazada emitida por el material luminiscente y/o en el que la al menos parte de la luz que sale de la guía de ondas comprende una porción de frecuencia no desplazada de la luz incidente.

28. Aparato según reivindicación primera, caracterizado por que entre la guía de luz y el reflector difuso hay un hueco de aire para evitar que se frustre la reflexión interna total. 15